Sinds J. J. Thompson's 1897 ontdekking van het elektron, wetenschappers hebben geprobeerd de beweging van het subatomaire deeltje op verschillende manieren te beschrijven. Elektronen zijn veel te klein en snel om gezien te worden, zelfs met behulp van een lichtmicroscoop. Dit heeft het meten van de beweging van een elektron de afgelopen eeuw erg moeilijk gemaakt. Echter, nieuw onderzoek van de Femtosecond Spectroscopy Unit van de Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie , heeft dit proces veel gemakkelijker gemaakt.

"Ik wilde de elektronen in het materiaal zien. Ik wilde de elektronen zien bewegen, niet alleen om hun beweging te verklaren door een verandering van lichttransmissie en reflectie in het materiaal te meten, " zei prof. Keshav Dani, leider van een eenheid. De beperkende factor bij het bestuderen van elektronenbeweging met behulp van eerdere technieken was dat de instrumentatie een uitstekende tijdresolutie of ruimtelijke resolutie kon bieden, maar niet allebei. Dr. Michael Man, een postdoctoraal onderzoeker in de afdeling van Prof. Dani, combineerde de technieken van UV-lichtpulsen en elektronenmicroscopie om elektronen in een zonnecel te zien bewegen.

Als je licht laat schijnen op een materiaal, de lichtenergie kan worden geabsorbeerd door de elektronen en ze van een lage energietoestand naar een hogere brengen. Als de lichtpuls die je op het materiaal schijnt erg, zeer kort, een paar miljoenste van een miljardste van een seconde - dat is een paar femto seconden - het zorgt voor een zeer snelle verandering in het materiaal. Echter, deze verandering duurt niet lang, omdat het materiaal op een zeer snelle tijdschaal terugkeert naar zijn oorspronkelijke staat. Om een ​​apparaat te laten werken, zoals in een zonnecel, we moeten energie uit het materiaal halen terwijl het zich nog in de hoge energietoestand bevindt. Wetenschappers willen bestuderen hoe materialen van toestand veranderen en energie verliezen. "In werkelijkheid, je kunt deze elektronen niet op zo'n snelle tijdschaal van toestand zien veranderen. Dus, wat je doet is de verandering van reflectiviteit van het materiaal meten, " Dr. Man legde uit. Om te begrijpen hoe het materiaal verandert wanneer het wordt blootgesteld aan licht, onderzoekers stellen het materiaal bloot aan een zeer korte, maar intens, lichtpuls die de verandering veroorzaakt, en vervolgens doorgaan met het meten van de door de eerste puls geïntroduceerde verandering door het materiaal te sonderen met daaropvolgende veel zwakkere lichtpulsen op verschillende vertragingstijden na de eerste puls.

Als de eerste discrete bundel van massaloze energie, of foton, verandert het materiaal, door het snel op te warmen, bijv. de reflectie van de daaropvolgende fotonveranderingen. Als het materiaal afkoelt, de reflectie gaat terug naar de oorspronkelijke. Deze verschillen vertellen de wetenschappers de dynamiek van het waargenomen fenomeen. "Het probleem is dat je de elektronendynamica die de veranderingen veroorzaakt niet echt direct waarneemt:je meet de reflectie en dan probeer je een verklaring te vinden op basis van de interpretatie van je gegevens, " Prof. Dani zei. "Je maakt een model dat de resultaten van je experiment verklaart. Maar je ziet niet echt wat er gebeurt."

Het team van prof. Dani vond een manier om dit fenomeen in een halfgeleiderapparaat te visualiseren. "Als de puls het materiaal raakt, het neemt wat elektronen weg, en we gebruiken een elektronenmicroscoop die een beeld vormt van waar de verplaatste elektronen vandaan kwamen, "Zei Dr. Man. "Als je dit vaak doet, voor veel fotonen, je kunt langzaam een ​​beeld opbouwen van de verdeling van de elektronen in het materiaal. Dus je foto-opwindt het monster, je wacht een bepaalde tijd, en dan onderzoek je je monster en herhaal je dit proces keer op keer, de vertraging tussen de eerste puls van fotonen en de indringende fotonen altijd hetzelfde te houden." je krijgt een beeld van de locatie van de meeste elektronen in het materiaal met een bepaalde vertraging.

Vervolgens, de onderzoekers veranderen de tijdsvertraging tussen de twee pulsen - de foto-opwindende en de indringende - en ze creëren een ander beeld van de locatie van de elektronen. Zodra een afbeelding is gemaakt, de meetpuls wordt verder vertraagd, het creëren van een reeks afbeeldingen die de posities van de elektronen in opeenvolgende tijden na de foto-excitatie beschrijft. "Als je al deze afbeeldingen aan elkaar plakt, heb je eindelijk een video, Prof. Dani zei. "Een video van hoe de elektronen in het materiaal bewegen na foto-excitatie:je ziet de elektronen opgewonden raken, en dan terug te keren naar hun oorspronkelijke staat."

"We hebben een video gemaakt van een heel fundamenteel proces:voor het eerst stellen we ons niet voor wat er in een zonnecel gebeurt, we zien het echt. We kunnen nu beschrijven wat we zien in deze time-lapse video, we hoeven niet langer gegevens te interpreteren en ons voor te stellen wat er in een materiaal zou kunnen zijn gebeurd. Dit is een nieuwe deur naar het begrijpen van de beweging van elektronen in halfgeleidermaterialen. " Prof. Dani effuseerde. Dit onderzoek biedt een nieuw inzicht in de beweging van elektronen die mogelijk de manier waarop zonnecellen en halfgeleiderapparaten worden gebouwd zou kunnen veranderen. Dit nieuwe inzicht brengt het technologieveld een stap dichter bij het bouwen van betere en efficiëntere elektronische apparaten.